Kennis over koudwaterrisico's aquathermie

“Kijk, daar gaat ‘ie!” Ingespannen turen de experts van Deltares en energie-specialisten van Waternet, Rijkswaterstaat en STOWA naar een donkerblauw stroompje water in het IOS bassin op de Deltares-campus. In deze testopstelling wordt nagebootst hoe een koudwaterlozing uit een aquathermie-installatie zich verspreidt onder verschillende omstandigheden. Met thermische camera's, glasvezelsensoren en lasers legt het Deltares-team de beweging van deze zogenoemde ‘koudepluim’ tot in detail vast. Deltares verwerkt de resultaten van deze testen in de door Deltares beheerde watermodellen en tools. Waterbeheerders gebruiken deze tools en kunnen nu nog beter de effecten van koudwaterlozingen op het waterleven in beeld brengen.

Inzicht nodig

Lieke Noij, coördinator energie bij de Stichting Toegepast Onderzoek Waterbeheer (STOWA), legt uit dat dit een van de belangrijkste kennisvragen is bij waterschappen. “Het koude water uit aquathermie-installaties wordt vaak op één punt geloosd: het ecologisch effect van deze koudepluim is nog onbekend. Een grote, lokale concentratie van koud water kan bijvoorbeeld voor vissen een ‘migratiebarrière’ vormen, waar ze mogelijk niet langs zwemmen.”

Uit eerder onderzoek van STOWA en Deltares bleek dat koudepluimen zich zoveel mogelijk moeten vermengen met de rest van het water, zodat het geleidelijk wordt afgevoerd. Lieke: “De kans op effecten neemt toe naarmate de temperatuurverschillen groter worden. Aan de andere kant kan de lozing van koud water mogelijk een positief effect hebben, omdat het klimaat opwarmt.”

Met oog op de toch al onder druk staande waterkwaliteit en de hoge ambities van de Kaderrichtlijn Water van 2027, zijn waterbeheerders voorzichtig en willen ze meer duidelijkheid over de ecologische effecten van aquathermie, aldus Lieke. Na eerdere onderzoeken in het programma WarmingUP brengen Deltares en STOWA al een aantal jaren de gevolgen van aquathermie voor de omgeving in kaart.

Koudepluim in beeld

Bij Deltares doet Anton de Fockert dat, expert stromingsprocessen. Afhankelijk van het ontwerp van een aquathermie-installatie, de lozing en de stroming in de omgeving, zal de koudepluim zich vermengen met het omringende water, vertelt hij. “Wat je niet wilt is dat het koude lozingswater zich onvoldoende mengt met het oppervlaktewater. Dan kan het koude water niet verder opwarmen door interactie met de lucht of de zon. Dit kan ecologische gevolgen hebben”, aldus Anton.

“Waterbeheerders kunnen nu moeilijk beoordelen of en hoe het geloosde koude water zich zal vermengen. De huidige modellen waarmee ze dit berekenen, kunnen het gedrag van koudepluimen onvoldoende voorspellen en daardoor is vergunningverlening voor aquathermie lastig.”

Deltares is zelf initiatiefnemer en financier van de labtesten met koudwaterlozingen. Anton: “Omdat het onderzoek ook interessant is voor organisaties als Rijkswaterstaat en STOWA, nemen we hun wensen mee, door extra metingen toe te voegen in de testen. Zo is Waternet ook aangehaakt. Nu zien we hoe een koudepluim zich gedraagt onder verschillende omstandigheden. Dit levert ons een specifieke dataset op waarmee we onze modellen kunnen toetsen en verbeteren.”

Opschalen

Alle aanwezigen zijn het erover eens dat aquathermie een belangrijke impuls kan geven aan de energietransitie. Aquathermie is het onttrekken van warmte (en koude) uit oppervlaktewater met een warmtewisselaar. Deze warmte of koude kan via een collectief warmtenet gebouwen verwarmen of koelen. De techniek is te combineren met warmte- of koudeopslag in de bodem. Deltares en CE Delft berekenden dat Thermische Energie uit Oppervlaktewater (TEO) ruim 40 procent van de warmtebehoefte van onze gebouwde omgeving kan leveren.

Aquathermie is een duurzame, betrouwbare en betaalbare warmtebron die bij uitstek geschikt is voor collectieve warmtenetten. Het vergt nauwelijks aanpassingen aan bestaande bebouwing en neemt weinig ruimte in beslag, bovendien voorkomt het verdere congestie van het elektriciteitsnetwerk. Dankzij een open netwerk-infrastructuur is aquathermie ook geschikt voor aanvullende warmtebronnen en het is goedkoper dan individuele duurzame warmte-oplossingen. Enige voorwaarde is dat de te verwarmen of koelen bebouwing in de buurt ligt van rivieren, meren of kanalen.

Bewezen

De techniek heeft zich op kleine schaal, van enkele huizen tot een kleine wijk, bewezen. In de afgelopen vijftig jaar zijn er ruim honderd aquathermie-installaties succesvol gerealiseerd in Nederland. Deltares bouwt samen met andere partijen kennis en ervaring op waardoor de toepassing van aquathermie is op te schalen. Denk aan kennis over potentie, haalbaarheid en impact, onder andere in de innovatieprogramma's WarmingUP (inmiddels afgerond) en NieuweWarmteNu!

Waterbeheerders kunnen nu het gedrag van koudepluimen onvoldoende voorspellen en daardoor is vergunningverlening voor aquathermie lastig

Anton de Fockert, expert stromingsprocessen Deltares

Verantwoordelijkheid

Arianne de Vries, coördinator kennisontwikkeling aquathermie bij Rijkswaterstaat, benadrukt dat niet alleen de waterschappen aan de lat staan bij deze uitdaging: “Rijkswaterstaat beheert veel wateren, dus ook gebieden met potentieel voor aquathermie. Wij zien het als onze maatschappelijke plicht om deze innovatie mogelijk te maken en deze bron te ontsluiten voor de energietransitie.” Een wettelijk kader ontbreekt nu, legt Arianne uit, omdat er onvoldoende kennis is over wat lozingen doen met de waterkwaliteit. “Nu nemen we aan dat de effecten van koudepluimen negatief zijn, maar dat hoeft niet. Daarom nemen wij onze verantwoordelijkheid om kennis over aquathermie te ontwikkelen, zodat we zoveel mogelijk zekerheid verkrijgen over de effecten van deze energiebron op het waterleven.”

Positieve effecten

Harry de Brauw, adviseur duurzame energie bij Waternet, wijst op de positieve effecten die de toevoeging van koud water kan hebben op sloten, plassen en kanalen. “De temperatuur van oppervlaktewater kan tijdens de warme maanden behoorlijk oplopen en dat brengt allerlei negatieve gevolgen met zich mee zoals botulisme, kroos en algengroei. Koudwaterlozingen kunnen deze gevolgen mogelijk beperken."

Opzet

Aan de rand van het bassin stellen Arianne, Harry en Lieke en hun collega's veel vragen aan het Deltares-team. Wat is de temperatuur die zij dit keer aanhouden, hoe snel verdunt de pluim en mengt hij goed met het omringende water? “De gemiddelde uitstroom van een aquathermie-installatie is tussen de zes en tien graden kouder dan het water waarin het terechtkomt. Speciaal voor dit onderzoek bouwden we bij Deltares een koudwaterfabriek. Die koelt het water uit ons faciliteiten-reservoir met acht graden", legt Anton uit.

Anton vertelt dat Deltares in deze testen kijkt “hoe de pluim zich gedraagt als deze loodrecht op de omgevingsstroom wordt geloosd, naar het effect van verschillende lozingsdebieten en verschillende lozingstemperaturen. Dit heeft allemaal gevolgen voor de menging van de koudwaterpluim.”

Stroming

Momenteel gebruiken waterbeheerders het Deltares-programma Delft3D voor vergunningverlening. Anton: “Dit model werkt vooral goed als je de watertemperatuur verder van de lozing af wilt weten. We kunnen minder goed voorspellen wat er dicht bij de lozing gebeurt.” Lieke van STOWA is vooral benieuwd naar de verspreiding van de koudepluim als er geen stroming is: “Zakt het koude water dan naar beneden en verspreidt het zich rond de bodem?”

“Dat maken we met deze testen inzichtelijk”, antwoordt Anton. Hij legt uit dat maatwerkbeoordeling vaak te kostbaar is, en waterbeheerders daarom modellen als Delft3D gebruiken om effecten te berekenen. “Helaas geven de bestaande modellen geen antwoorden op de kennisvragen die nu nodig zijn voor het verlenen van vergunningen. Er zijn meer handvaten nodig om tot een set vuistregels voor de waterbeheerders te komen.”

Glasvezel als sensor

Deltares kijkt ook of met glasvezelkabels de verspreiding van de koudepluim is vast te leggen. “Het voordeel van glasvezel is dat het gemakkelijk op grote schaal toe te passen is en robuust genoeg is om in het veld te gebruiken. Hierdoor kan de situatie in praktijk worden gemonitord. Metingen met glasvezel geven een betere ruimtelijke dekking, maar zijn minder nauwkeurig”, aldus Pieter Doornenbal, expert temperatuurmeting met glasvezeltechnieken bij Deltares. “Om goede metingen te verkrijgen, moet er een hoge resolutie worden behaald.”

Hij bekeek daarvoor verschillende kabeldiktes. “We kunnen een meetinstrument in een kabel over de hele lengte van een kanaal recht of zigzaggend leggen, maar ook verticaal om palen heen wikkelen. Zo verkrijg je nauwkeuriger resultaten, want dan kun je meerdere metingen op een plek doen. Het kan namelijk wel eens een tiende graad schelen.”

Arianne van Rijkswaterstaat is benieuwd of de glasvezeltechniek een goede en minder kostbare methode is om praktijkmetingen te doen. Pieter: “Uit de proeven blijkt de potentie voor glasvezel, maar omdat er behoorlijk nauwkeurig moet worden gemeten, is het nodig zorgvuldig en met kennis van zaken naar de resultaten van de glasvezelmetingen te kijken.”

Woonboten en bruggen

Bij Waternet, uitvoeringsorganisatie van Waterschap Amstel, Gooi en Vecht en de gemeente Amsterdam, leven meer gedetailleerde vragen. “Wat doet de koudepluim als er een woonboot ligt? En hoe gedraagt deze zich bij versmallingen van het water, bijvoorbeeld rond bruggen?”, vraagt Harry aan ‘model operator’ Nino Zuiderwijk. Het team van Deltares heeft een pijlersimulatie en een schaalmodel van een woonboot gemaakt. Die wordt later in het bassin gezet om de testen mee uit te voeren. Ook is de situatie in de Amsterdamse grachten nagebootst door de stroomgoot te versmallen (als ware er brughoofden) en een ondiepte te creëren (omdat er niet wordt gebaggerd onder bruggen).

Harry is ook erg benieuwd naar ‘het opstuwende effect’, wat er gebeurt als het koude water tegen een boot aanbotst. “Onze vragen zijn inderdaad heel specifiek voor de Amsterdamse situatie", lacht Harry. “Wij hebben het water voor onze deur, dus we zien veel kansen voor aquathermie. Met grachtenwater zou je wel 200.000 woningen kunnen verwarmen, mits zorgen voor de waterkwaliteit zijn weggenomen. We moeten voorzichtig zijn, uit respect voor het leven in het water en omdat we ons aan de Kaderrichtlijn Water moeten houden. Het is voor ons heel fijn dat Rijkswaterstaat en STOWA samen met Deltares dit soort kennis beschikbaar maken.”

Betrouwbaarheid

Harry, Lieke en Arianne concluderen na afloop van de testen eensgezind dat er geen andere partij dan Deltares is die dit kan doen. Harry: “Deltares beschikt over unieke en bijzondere faciliteiten om toegepast onderzoek te doen.” Hij vindt het mooi om met eigen ogen te zien hoe de testopstelling werkt: “Dit draagt bij aan de betrouwbaarheid van de modellen waar we straks mee werken.”

Belangenafweging

Lieke beaamt dat: “Als validatie voor de modellen die ecologen, waterbeheerders en adviesbureaus gebruiken zijn dit nuttige proeven.” De kennis van Deltares wordt bij STOWA besproken met de waterschappen, als basis om de vergunningsprocessen, richtlijnen en handreikingen aan te passen en waar nodig te verruimen. Lieke benadrukt dat belangenafweging daarbij een belangrijk onderdeel is. “Naast ecologie zijn er immers ook andere belangen in onze samenleving, zoals de energietransitie en klimaatadaptatie.”

“De wetenschappelijke onderbouwing van deze kennis is nodig als we op hogere bestuursniveaus over de toepassing van aquathermie willen overleggen”, benadrukt Lieke. “Deze kennis geeft ons richting, die we nu ontberen. Terwijl de urgentie zo groot is!”

Anton besluit het bezoek met een blik in de toekomst: “Als alle meetresultaten zijn uitgewerkt, weten we of de huidige metingen voldoende inzicht geven in het gedrag van de koudepluim dicht bij het lozingspunt. Intussen willen we de resultaten inbrengen in de STOWA-handreiking Koudelozingen die van tijd tot tijd wordt vernieuwd.”